Ловушка активной зоны ядерного реактора

 

Сущность изобретения: ловушка активной зоны ядерного реактора, установленная в бетонной шахте защитной оболочки, содержит корзину с вытеснителем в виде слоев тугоплавких элементов, в которых для прохода теплоносителя аварийного охлаждения и рассредоточения кориума выполнены как в виде сквозных вертикальных каналов, так и в виде горизонтальных каналов. Вертикальные глухие отверстия в тугоплавких элементах при положении дном вверх образуют локальные газовые компенсаторы паровых и водородных взрывов, а при положении дном вниз - накопители для кориума. Устройство для подачи теплоносителя аварийного охлаждения в корзину в виде опускного канала, верхний конец которого соединен с бассейном теплоносителя аварийного охлаждения, а нижний - с концевым коллектором в нижней части бетонной шахты. Устройство для отвода упомянутого теплоносителя выполнено в виде подъемного канала, соединенного с верхней частью корзины. Между корзиной и днищем сосуда под давлением установлен обтекатель с отверстием в центральной части. Предусмотрены внешние компенсаторы паровых и водородных взрывов: первый - в верхней части коллектора и второй - смежный с подъемным каналом теплоносителя аварийного охлаждения. Указанная конструкция при аварии с расплавлением активной зоны обеспечивает естественную циркуляцию теплоносителя аварийного охлаждения и уменьшение влияния паровых и водородных взрывов на бетонную шахту ядерного реактора. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к устройствам для локализации в защитной оболочке вышедшего из сосуда под давлением ядерного реактора с водой под давлением вследствие аварии кориума расплава топлива и конструкционных материалов активной зоны ядерного реактора.

Главной проблемой удержания кориума в ловушке активной зоны ядерного реактора с водой под давлением является предотвращение разрушения конструкции бетонной шахты реактора, защита от воздействия расплавленного кориума на стенку и дно шахты.

Предпосылкой для решения этой проблемы явилась необходимость создания пассивной системы охлаждения ловушки активной зоны ядерного реактора за счет естественной циркуляции теплоносителя аварийного охлаждения.

Известна ловушка активной зоны ядерного реактора [1] установленная в бетонной шахте защитной оболочки под днищем сосуда под давлением ядерного реактора, содержащая корзину с вытеснителем в виде слоев тугоплавких гранул типа стерженьков с пустотами между ними для рассредоточения кориума от места истечения из сосуда под давлением и прохода между слоями теплоносителя аварийного охлаждения, устройство для подачи теплоносителя аварийного охлаждения в корзину и устройство для отвода теплоносителя аварийного охлаждения из корзины. Устройство для подачи теплоносителя аварийного охлаждения содержит соединенный с верхней частью корзины трубопровод и душирующее устройство для подачи теплоносителя на кориум. Отводящий трубопровод соединен с нижней частью корзины. Нагнетается жидкость в корзину и в душирующее устройство насосом.

Недостатком известного технического решения является то, что поскольку теплоноситель аварийного охлаждения движется сверху вниз, а отдавший тепло этот теплоноситель, обладая меньшей плотностью, будет стремиться подниматься снизу вверх, может возникнуть ситуация, при которой нижняя поверхность расплавленного кориума, контактирующая со слоями тугоплавких гранул вытеснителя, будет постоянно в осушенном состоянии, что приведет к сухому режиму проплавления вытеснителя. В автомодельном режиме, который устанавливается в теплогидравлических процессах такого типа, не удается остановить проплавление в случае позднего включения наружного орошения через душирующее устройство, так как к этому моменту кориум на воздухе образует сверху корку, имеющую малую теплопроводимость. Следовательно, не может быть гарантировано управляемое охлаждение кориума.

Кроме того, при подаче воды на корзину сверху невозможно обеспечить сухой контакт кориума с вытеснителем, так как в случае расплавления сосудов под давлением ядерного реактора кориум напрямую будет воздействовать с влажным вытеснителем и из-за малого размера (1 дюйм) пустот между гранулами последнего это взаимодействие будет проходить быстро, особенно при объеме кориума 1 3 м³. Кориум может сверху перекрыть влажный вытеснитель. В этом случае пар будет либо проникать внутрь вытеснителя, либо барботировать сквозь жидкий кориум. Оценки показывают, что развиваемые в этих двух процессах давления приведут к разрушению бетонной шахты из=за паровых и водородных взрывов. Кроме того, из-за малого проходного сечения пустот в вытеснителе быстро растущее давление не может быть погашено. С другой стороны, диаметр корзины с вытеснителем сравним с диаметром сосуда под давлением ядерного реактора, поэтому не исключен вариант аварии, при которой жидкий кориум перекроет проходное сечение вытеснителя в корзине, что приведет к резкому росту давления в вытеснителе и разрушению защитной оболочки.

Мелкозернистый тугоплавкий вытеснитель в случае струйного истечения кориума может быть разрушен на большую глубину, благодаря эффекту гидравлического размывания. Это возможно в случае истечения кориума из сосуда под давлением ядерного реактора при небольшой (5 6 бар) давлении.

При давлении более 10 бар гранулированный вытеснитель струей кориума может быть выброшен из корзины.

Цель изобретения повышение надежности и безопасности ядерных энергетических установок.

Задача изобретения создание ловушки активной зоны ядерного реактора, которая бы обеспечила повышение надежности удержания кориума в защитной оболочке реактора.

Техническим результатом изобретения является обеспечение естественной циркуляции теплоносителя аварийного охлаждения и уменьшение влияния паровых и водородных взрывов на бетонную шахту ядерного реактора.

Задача изобретения решается тем, что ловушка активной зоны ядерного реактора, установленная в бетонной шахте защитной оболочки под днищем сосуда под давлением ядерного реактора, содержит корзину с вытеснителем в виде слоев тугоплавких элементов с пустотами для прохода теплоносителя аварийного охлаждения и рассредоточения кориума от места истечения последнего из сосуда под давлением, устройство для подачи теплоносителя аварийного охлаждения в корзину и устройство для отвода теплоносителя аварийного охлаждения из корзины. Согласно изобретению пустоты в слоях тугоплавких элементов выполнены как в виде сквозных вертикальных каналов, образованных отверстиями в тугоплавких элементах со смещением осей упомянутых отверстий друг относительно друга в каждом слое, так и в виде горизонтальных канавок, образующих в совокупности горизонтальные каналы, а также в виде вертикальных глухих отверстий, образующих при положении дном вверх внутренние локальные газовые компенсаторы паровых и водородных взрывов, а при положении дном вниз - накопители для кориума.

Устройство для подачи теплоносителя аварийного охлаждения в корзину выполнено в виде опускного канала, верхний конец которого соединен с бассейном-накопителем теплоносителя аварийного охлаждения, а нижний с кольцевыми коллекторами, расположенными в нижней части бетонной шахты и примыкающим к отверстиям в нижней части корзины. Устройство для отвода теплоносителя аварийного охлаждения выполнено в виде подъемного канала, соединенного с верхней частью корзины. В верхней части кольцевого коллектора выполнен первый внешний газовый компенсатор паровых и водородных взрывов. Между корзиной и днищем сосуда под давлением установлен обтекатель с отверстием центральной части. Второй внешний газовый компенсатор паровых и водородных взрывов, установленный в верхней части корзины под обтекателем выполнен смежным с подъемным каналом теплоносителя аварийного охлаждения.

Выполнение пустот в слоях тугоплавких элементов как в виде сквозных вертикальных каналов, образованных отверстиями в тугоплавких элементах со смещением осей отверстий друг относительно друга в каждом слое, так и в виде горизонтальных канавок, образующих в совокупности горизонтальные каналы, а также в виде вертикальных глухих отверстий, образующих при положении дном вверх внутренние локальные газовые компенсаторы паровых и водородных взрывов, а при положении дном вниз накопители для кориума позволяет кориуму, попавшему на кладку вытеснителя, проваливаться в каналы, образованные в кладке, направленно растекаясь от места истечения, образуя тем самым значительную поверхность для съема тепла теплоносителем аварийного охлаждения с одной стороны, а с другой предотвращая контакт больших масс кориума с большими объемами теплоносителя аварийного охлаждения, поднимающегося по каналам снизу-вверх за счет гидравлического подпора, тем самым предотвращая паровые и водородные взрывы большой силы. Энергия локальных взрывов гасится локальными газовыми компенсаторами, что предотвращает появление единой ударной волны.

Выполнение устройства для подачи теплоносителя аварийного охлаждения в виде опускного канала, верхний конец которого соединен с бассейном-накопителем теплоносителя аварийного охлаждения, а нижний с кольцевым коллектором, расположенным в нижней части бетонной шахты и примыкающим к отверстиям в нижней части корзины, а устройство для отвода теплоносителя аварийного охлаждения в виде подъемного канала, соединенного с верхней частью корзины, обеспечивает улучшение циркуляции теплоносителя аварийного охлаждения зв счет подачи последнего в нижнюю часть корзины и отвода снявшего тепло с кориума теплоносителя через верхнюю часть корзины, т.е. теплоноситель движется сверху вниз в опускном канале и снизу вверх в подъемном канале, что обеспечивает в любой ситуации охлаждение нижней поверхности кориума водой или паром и исключает образование застойных неохлаждаемых зон. Наличие кольцевого коллектора обеспечивает распределение теплоносителя аварийного охлаждения по периметру и площади корзины.

Внешние компенсаторы паровых и водородных взрывов, первый из которых образован в верхней части кольцевого коллектора, а второй установлен в верхней части корзины под обтекателем и выполнен смежным с подъемным каналом теплоносителя аварийного охлаждения, служат дыхательным компенсаторами и уменьшает воздействие взрывов на кладку вытеснителя и бетонную шахту.

Установка между корзиной и днищем сосуда под давлением обтекателя с отверстием в центральной части предотвращает прямой контакт кориума с водой, т. к. зазор между упомянутыми днищем и обтекателем при проплавлении днища будет заполнен паром, а запаривание места взаимодействия кориума с теплоносителем аварийного охлаждения ведет к подавлению паровых и водородных взрывов.

То, что ловушка дополнительно снабжена системой подачи газа в нижнюю часть корзины, дает возможность подать газ для продувки бетонной шахты реактора и тем самым обеспечивает сухое охлаждение кориума при невозможности подачи теплоносителя аварийного охлаждения на стадии длительного охлаждения. Кроме того, при подаче газа (воздуха) совместно с теплоносителем аварийного охлаждения уменьшается воздействие на защитную оболочку паровых и водородных взрывов за счет насыщения теплоносителя аварийного охлаждения газом.

То, что внешние газовые компенсаторы дополнительно разделены на секции вертикальными перегородками и снабжены устройствами для гашения ударных волн, позволяет сохранить работоспособность упомянутых компенсаторов даже при частичном разрушении кольцевого коллектора и обтекателя и уменьшает воздействие обтекателя и уменьшает воздействие паровых и водородных взрывов на защитную оболочку во время аварии.

Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает повышение надежности ловушки активной зоны ядерного реактора, повышает безопасность ядерной энергетической установки за счет естественно циркуляции теплоносителя аварийного охлаждения, уменьшения влияния паровых и водородных взрывов, рассредоточения кориума от места его истечения.

На фиг. 1 и 2 изображены продольный и поперечный разрез ловушки активной зоны ядерного реактора; на фиг. 3 и 4 элементы системы подачи газа; на фиг. 5 вариант выполнения тугоплавкого элемента вытеснителя; на фиг. 6 - поперечный разрез кладки вытеснителя.

Ловушка активной зоны (фиг. 1 и 2) ядерного реактора 1 установлена в бетонной шахте 2 защитной оболочки и содержит корзину 3, заполненную слоями вытеснителя в виде тугоплавких элементов 4. К нижней части корзины 3 примыкает окнами 5 кольцевой коллектор 6, соединенный с полостью корзины 3 отверстиями 7. С противоположной стороны к коллектору 6 примыкает опускной канал 8 теплоносителя аварийного охлаждения. Верхний конец канала 8 присоединен к находящемуся в пределах защитной оболочки бассейну накопителю 9. Канал для отвода теплоносителя аварийного охлаждения из верхней части корзины 3 включает в себя отверстие 10 с защитной решеткой в центре обтекателя 11, установленного под днищем сосуда под давлением ядерного реактора и следующие смежные зазоры: между днищем сосуда и под давлением и обтекателем, стенкой сосуда и стенкой теплоизоляции 12 и заканчивается выходом патрубком 13 с установленным на нем обратным клапаном 14.

Корзина 3 снабжена системой подачи газа (воздуха) в нижнюю ее часть, включающей каналы 15, каждый из которых присоединен к коллектору в виде трубчатой спирали 16 (фиг. 3), снабженной штуцерами 17 (фиг. 4), входящими в отверстия в днище корзины 3.

В верхней части кольцевого коллектора 6 образован первый внешний газовый компенсатор 18 паровых и водородных взрывов. Второй внешний газовый компенсатор 19 паровых и водородных взрывов расположен под обтекателем 11 и смежен с подъемным каналом теплоносителя аварийного охлаждения.

Внешние газовые компенсаторы снабжены вертикальными разделительными перегородками 20 и 21.

Кроме того, предусмотрены перегородки 22 для гашения ударной волны.

В тугоплавких блоках 4 (фиг. 5) образованы пустоты в виде сквозных вертикальных отверстий 23 и горизонтальных канавок 24, образующих в совокупности соответственно сквозные вертикальные каналы 25 и горизонтальные каналы 26. Упомянутые вертикальные и горизонтальные каналы совместно с глухими вертикальными отверстиями 27, расположенными дном вниз и служащими накопителями 28 для кориума, образуют систему для рассредоточения кориума от места истечения последнего из сосуда под давлением. Вертикальные глухие отверстия 27 при положении дном вверх образуют внутренние локальные газовые компенсаторы 29 паровых и водородных взрывов.

Оси отверстий 23, образующих сквозные вертикальные каналы 25, смещены друг относительно друга.

Между обтекателем 11 и днищем сосуда под давлением установлены дистанционирующие элементы 30, выполненные в виде радиальных ребер, закрепленных на обтекателе.

Ловушка работает следующим образом.

Кориум, истекающий из сосуда под давлением 1 ядерного реактора, попадает на обтекатель 11, который служит первым ьарьером, предотвращающим прямой контакт кориума с теплоносителем аварийного охлаждения водой, так как зазор между днищем сосуда под лавлением и обтекателем будет заполнен паром, образовавшимся в результате взаимодействия теплоносителя аварийного охлаждения со стенкой сосуда под давлением до истечения кориума, что ведет к подавлению паровых и водородных взрывов.

До проплавления или разрушения сосуда под давлением реактора обтекатель обеспечивает естественную циркуляцию теплоносителя вдоль днища сосуда, что создает условия для эффективного охлаждения кориума, находящегося в днище сосуда под давлением.

В случае обрыва днища сосуда под давлением ребра 30 выполняют функцию дистанционирующих элементов, сохраняя зазор между днищем и обтекателем. Кроме того, обтекатель обеспечивает демпфирование ударной нагрузки от оторвавшегося днища на вытеснитель, значительно уменьшая возможность разрушения кладки тугоплавких блоков 4.

В случае образования ударных волн от парового или водородного взрыва в процессе взаимодействия кориума с теплоносителем аварийного охлаждения в зазоре между днищем сосуда под давлением и обтекателем или под обтекателем последний работает как демпфер гашения ударных волн за счет внешнего газового компенсатора 19.

Для предотвращения дополнительных разрушений в реактор при обратном воздействии ударной волны на внутрикорпусные устройства реактора со стороны бетонной шахты обтекатель выполнен по профилю днища сосуда под давлением, что позволяет обтекателю в упомянутом случае работать как обволакивающий днище демпфер.

Пройдя через центрально отверстие 11 в обтекателе, кориум попадает в корзину 3 на слои тугоплавких элементов 4 вытеснителя и, благодаря наличию в кладке вытеснителя вертикальных 25 и горизонтальных 26 каналов, рассредотачиваются от места попадания в корзину. Теплоноситель аварийного охлаждения, поступающий снизу в корзину по опускному каналу 8, через окна 5 в коллекторе 6 и через отверстия 7, поднимаясь, взаимодействует с рассредоточенным по пустотам кориумом, который частично застывает как в каналах 25 и 26, так и в накопителях 28, чем обеспечивается большая поверхность с1ъема тепла теплоносителем аварийного охлаждения с кориума. Паровые и водородные взрывы, происходящие при взаимодействии теплоносителя аварийного охлаждения с кориумом рассредоточению последнего по поперечному сечению в глубине корзины носят локальный характер и энергия их подавляется как локальными газовыми компенсаторами 28, так и внешними газовыми компенсаторами 18 и 19. Защитная решетка, установленная в отверстии 10, удерживает подвергающиеся воздействию паровых и водородных взрывов тугоплавкие блоки 4 от выброса из корзины 3. Разрушаясь, газовые компенсаторов поглощают энергию паровых и водородных взрывов, предохраняют бетонную шахту реактора от разрушения. Обломки разрушившихся тугоплавких элементов, попадая в кориум, снижают его температуру и радиоактивность, способствуя его скорейшему охлаждению.

Подавая газ (воздух) в корзину 3 по каналу 15 в спирали 16 через штуцеры 17, можно до подачи теплоносителя аварийного охлаждения снимать тепло с поверхности излившегося кориума, способствуя образованию корки на поверхности кориума и препятствуя тем самым проникновению кориума на большую глубину и повреждению бетонной шихты реактора. При подаче газа (воздуха) совместно с теплоносителем аварийного охлаждения возникает упругая среда, которая способствует уменьшению воздействия на защитную оболочку реактора паровых и водородных взрывов, предотвращая ее разрушение.

Кроме того, уменьшает влияние взрывов и то, что теплоноситель аварийного охлаждения, взаимодействует с кориумом в пустотах вытеснителя, превращается в пароводяную смесь. Форма тугоплавких элементов 4, образующих кладку вытеснителя, уменьшает их смещение при взрывах, происходящих внутри вытеснителя. Рассредоточение кориума по горизонтальным каналам 26, вертикальным каналам 25, накопителям 29 и смещение осей вертикальных каналов ограничивает поверхность контакта кориума и теплоносителя аварийного охлаждения, уменьшая нагрузку на локальные газовые компенсаторы 28 паровых и водородных взрывов, тем самым уменьшая нагрузку на вытеснитель, сводя к минимуму разрушение кладки вытеснителя.

Подача теплоносителя аварийного охлаждения снизу делает циркуляцию теплоносителей естественной, обеспечивая пассивный отвод тепла от кориума.

Для предотвращения заброса воды внутрь кориума при разгерметизации реактора (в условиях его проплавления либо в днище, либо на боковой поверхности, когда гидростатическое давление в бетонной шахте больше давления в реакторе) устанавливаются клапаны 14 на патрубках 13 канала отвода теплоносителя аварийного охлаждения в герметический объем защитной оболочки. Теплоноситель, сняв тепло с кориума, превращается в пар. Эти клапаны предотвращают массовое поступление воды с пола реакторного отделения в зазор между сосудом под давлением реактора и обтекателем, которое может привести к неконтролируемому поступлению воды внутрь кориума и паровому взрыву.

Тугоплавкие элементы 4 могут быть изготовлены, например, из диоксидциркониевого бетона гидратационного твердения, делает ловушку термостойкой и маловосприимчивой к химическому воздействию.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с известным повышает надежность ловушки активной зоны ядерного реактора.

Наиболее целесообразно предлагаемую ловушку использовать при строительстве ядерных энергетических установок с реакторами типа ВВЭР.

Источники информации Патент США N 4.113.560, кл. 376-280, выдан 12.09.78.

Формула изобретения

1. Ловушка активной зоны ядерного реактора (1), установленная в бетонной шахте (2) защитной оболочки под днищем сосуда под давлением ядерного реактора, содержащая корзину (3) с вытеснителем в виде слоев тугоплавких элементов (4) с пустотами для прохода теплоносителя аварийного охлаждения и рассредоточения кориума от места истечения последнего из сосуда под давлением, устройство для подачи теплоносителя аварийного охлаждения в корзину и устройство для отвода теплоносителя аварийного охлаждения из корзины, отличающаяся тем, что пустоты в слоях тугоплавких элементов (4) выполнены как в виде сквозных вертикальных каналов (25), образованных отверстиями (23) в тугоплавких элементах со смещением осей упомянутых отверстий друг относительно друга в каждом слое, так и в виде горизонтальных канавок (24), образующих в совокупности горизонтальные каналы (26), а также в виде вертикальных глухих отверстий (27), образующих при положении дном вверх внутренние локальные газовые компенсаторы (28) паровых и водородных взрывов, а при положении дном вниз накопители (29) для кориума, устройство (8) для подачи теплоносителя аварийного охлаждения в корзину выполнено в виде опускного канала, верхний конец которого соединен с бассейном-накопителем (9) теплоносителя аварийного охлаждения, а нижний с кольцевым коллектором (6), расположенным в нижней части бетонной шихты и примыкающим к отверстиям (7) в нижней части корзины, устройство для отвода теплоносителя аварийного охлаждения выполнено в виде подъемного канала (13), соединенного с верхней частью корзины, в верхней части кольцевого коллектора образован первый внешний газовый компенсатор (18) паровых и водородных взрывов, между корзиной и днищем сосуда под давлением установлен обтекатель (11) с отверстием (10) в центральной части, второй внешний газовый компенсатор (19) паровых и водородных взрывов, установленный в верхней части корзины под обтекателем, выполнен смежным с подъемным каналом (13) теплоносителя аварийного охлаждения.

2. Ловушка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена системой подачи газа в нижнюю часть корзины, содержащей подводящие каналы (15) и коллекторы (16), установленные на днище корзины.

3. Ловушка по п.1, отличающаяся тем, что внешние газовые компенсаторы (18 и 19) разделены на секции вертикальными перегородками (20 и 21) и снабжены устройствами (22) для гашения ударных волн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6